第一原理計算鋰離子電池層狀正極材料之摻雜效應

Abstract

近年來，由於儲能系統的需求日漸增加，鋰離子電池具有重量輕、高能量密度、高電壓與高電容量等優點，現今已成為被廣泛應用的儲能系統之一，在追求高電壓、高電容量與高穩定性電極的過程中，層狀結構材料具備前兩者電化學性質之特性，成為十分具有潛力的電極材料。其中，LiMO2 (M = NixCoyMnz)之三元層狀材料相較於一元 (M = Ni、Co、Mn)、二元層狀材料 (M = NixCoy、NixMny、MnxCoy)有較佳的電化學性質，但是在充放電過程中仍舊有氣體的產生使過渡金屬離子離開過渡金屬層遷至Li層，阻礙Li通道導致穩定性不佳的問題，實驗上證實摻雜元素於電極中可改善電極之循環充放電的電化學性質並同步增加結構穩定性；然而，改善材料電化學性質與結構穩定性的原因仍並未被探究。本研究使用第一原理計算方法與Bader charge分析深入探討現今已商業化之電極LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2其氧價數與氧缺陷生成能的關係，並以此關係為依據，將實驗文章常報導之摻雜元素－Al分別摻雜於Ni、Co、Mn與Li四個位置後，計算六種組成系統中取代與被取代元素個別的化學勢能(Chemical potential)進而得知缺陷生成能範圍，確認摻雜Al於Co與Mn最可能摻雜之位置，如此建立四元系統以上之化學勢能計算方法；而後分析Al於Co、Mn位置之氧價數趨勢與未摻雜模型比較，得知摻雜於Co位置為降低氧價數最甚者，結合最低價數氧的位置分布圖與能態密度圖判定摻雜Al於Co可與周圍O產生強離子鍵，如此可抑制氧的脫除並改善結構穩定性。

Date of Award	2017 Aug 25
Original language	Chinese
Supervisor	Shih-kang Lin (Supervisor)